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金属学原理

莱特later1.配位数:直接同中心离子(或原子)配位的原子数目叫中心离子(或原子)的配位数2.粗糙界面:液固两相之间的界面从微观上来看是高低不平的,存在几个原子层厚度的过渡层,在过渡层中约有半数的位置为固相原子所占据,由于过渡层很薄,所以,从宏观上来看,界面反而显得平直,不出现曲折小平面,这类界面又称非小平面界面。

3.交滑移:两个或两个以上的滑移面沿同一滑移方向进行交替滑移的过程4.有效分配系数:结晶过程中固体在相界处的浓度比上此时余下液体的平均浓度。

5.应变时效:低碳钢拉伸时,若在超过下屈服点以后卸载并立即重新拉伸,则拉伸曲线不出现屈服点;若卸载后放置一段时间或在200℃左右加热后再进行拉伸,则屈服现象又复出现,且屈服应力进一步提高。

这种现象通常称为应变时效。

6.过冷度:相变过程中冷却到相变点以下某个温度后发生转变,平衡相变温度与该实际转变温度之差称过冷度7.形变组织:金属在合金塑性变形时,由于各晶粒的转动,当形变量很大时,各晶粒的取向会大致趋于一致,形变中的这种组织状态叫做形变织构8.动态过冷度:能保证凝固速度大于融化速度的过冷度称为动态过冷度9.加工硬化:随着塑性变形的增大,塑性变形抗力不断增加的现象,即强度和硬度升高,塑性和韧性降低。

10.上坡扩散:由低浓度向高浓度进行的扩散11.割阶:位错线上垂直于原位错滑动面的曲折部分12.伪共晶:在非平衡凝固条件下,某些亚共晶或过共晶成分的合金也能得到全部的共晶组织,这种由非共晶成分的合金所得到的共晶组织称为伪共晶13.柯氏气团:溶质原子与位错的交互作用,溶质原子将偏聚在位错线附近以降低体系的畸变能形成溶质原子气团。

1、金属的退火处理包括哪三个阶段?简述这三个阶段中晶粒大小、结构的变化答:退火过程分为回复、再结晶和晶粒长大三个阶段。

回复是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段;再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程;晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大。

在回复阶段,由于不发生大角度晶界的迁移,所以晶粒的形状和大小与变形态的相同,仍保持着纤维状或扁平状,从光学显微组织上几乎看不出变化。

在再结晶阶段,首先是在畸变度大的区域产生新的无畸变晶粒的核心,然后逐渐消耗周围的变形基体而长大,直到形变组织完全改组为新的、无畸变的细等轴晶粒为止。

最后,在晶界表面能的驱动下,新晶粒互相吞食而长大,从而得到一个在该条件下较为稳定的尺寸,称为晶粒长大阶段。

2、简述影响固体中原子和分子扩散的因素有哪几方面?答:1、温度;2、固溶体类型;3、晶体结构;4、晶体缺陷;5、化学成分;6、应力的作用3 、原子间的结合键共有几种?各自特点如何?(5 分)a1、化学键包括:金属键:电子共有化,既无饱和性又无方向性离子键:以离子而不是以原子为结合单元,要求正负离子相间排列,且无方向性,无饱和性共价键:共用电子对;饱和性;配位数较小,方向性2、物理键如范德华力,系次价键,不如化学键强大3、氢键:分子间作用力,介于化学键与物理键之间,具有饱和性4、写出菲克第一定律的数学表达式,并说明其意义,简述影响扩散的因素。

答:一维下,J=—Ddc/dx;J: 扩散流量,单位时间通过单位面积扩散的物质量,g/s·m2;D:扩散系数,m2/s;dc/dx:浓度梯度,g/m4。

其意义为物质扩散量与该物质的浓度梯度成正比,方向相反。

影响扩散的因素:①温度。

满足D=D o e-Q/RT的关系,T升高,D增加;②界面表面及位错。

是扩散的快速通道;③第三组元。

可对二元扩散有不同影响,如Mo、W降低C在γ-Fe中的扩散系数,Co、Si 加速C的扩散,Mn影响不大;④晶体结构。

低对称性的晶体结构中,存在扩散的各向异性,如六方结构晶体,平行与垂直于基面(0001)的扩散系数不同;⑤熔点。

同一合金系中,同一温度下熔点高的合金中扩散慢,熔点低的扩散5、简述固态相变的一般特点答:①相变阻力中多了应变能一项。

②形核方面:非均匀形核,存在特定的取向关系,常为共格或半共格界面。

③生长方面:出现惯习现象,即有脱溶贯序;特殊/规则的组织形态,如片状、针状。

④有亚稳相出现以减少相变阻力。

6、什么是固溶体?讨论影响固溶体溶解度的主要因素。

答:溶质原子以原子态溶人溶剂点阵中而组成的单一均匀固体;溶剂的点阵类型被保留。

影响固溶度的因素有:1.原子尺寸因素。

当溶剂、溶质原子直径尺寸相对差小于±15%时,有大的代位溶解度。

2.负电性因素。

溶剂、溶质的负电性差越小溶解度越大,一般小于0.4—0.5会有较大溶解度。

3.电子浓度因素。

有两方面的含义:一是原子价效应,即同一溶剂金属中,溶质的原子价越高,溶解度越小;二是相对价效应,即高价溶质溶人低价溶剂时的溶解度高于相反的情况。

7、影响扩散的因素有哪些?①温度:温度越高,扩散系数越大,扩散速率越快。

②固溶体类型:间隙固溶体间隙原子的扩散激活能要比置换固溶体中置换原子的扩散激活能小得多,扩散速度也快得多。

③晶体结构:在温度及成分一定的条件下任一原子在密堆点阵中的扩散要比在非密堆点阵中的扩散慢。

④浓度:扩散系数是随浓度而变化的,有些扩散系统如金-镍系统中浓度的变化使镍和金的自扩散系数发生显著地变化。

⑤第三组元的影响:在二元合金中加入第三元素时,扩散系数也会发生变化。

⑥晶体缺陷的影响:空位、位错等晶体缺陷,加速置换原子的扩散。

8、固溶体与金属化合物有何异同点相同点:都具有金属的特性;不同点:结构不同,固溶体的结构与溶剂的相同,金属化合物的结构不同于任一组元;键合方式不同,固溶体为金属键,金属化合物为金属键、共价键、离子键混合键;性能不同,固溶体的塑性好、强度、硬度低,金属化合物,硬度高、熔点高、脆性大;在材料中的作用不同固溶体多为材料的基体,金属化合物为强化相。

9、什么是再结晶温度?影响再结晶温度的因素有哪些?。

答:冷变形金属开始进行再结晶的最低温度称为再结晶温度,①变形程度②原始晶粒尺寸③微量溶质原子④第二相粒子⑤再结晶退火工艺参数10、为什么晶体的滑移通常在密排晶面并沿密排晶向进行?答:因为只有在最密排晶面之间的面间距及最密排晶向之间的原子间距才最大,原子结合力也最弱,所以在最小的切应力下便能引起它们之间的相对滑移11、写出布拉菲点阵的七大晶系答:单斜晶系、三斜晶系、菱形晶系、四方晶系、正交晶系、六方晶系、立方晶系12、晶界具有哪些特性1)晶界处点阵畸变变大,存在晶界能,故晶粒长大和晶界平直化是一个自发过程。

2)晶界处原子排列不规则,从而阻碍塑性变形,强度更高。

这就是细晶强化的本质。

3)晶界处存在较多缺陷(位错、空位等),有利原子扩散。

4)晶界处能量高,固态相变先发生,因此晶界处的形核率高。

5)晶界处成分偏析和内吸附,又富集杂质原子,因此晶界熔点低而产生“过热”现象。

6) 晶界能高,导致晶界腐蚀速度比晶粒内部更高1、有原始组织为细晶粒的低碳钢(含碳约0.1%),将其拉伸至应变时卸载,拉伸曲线如图所示,请绘出下列情况下的曲线并扼要加以说明。

(1)卸载后立即重新加载,继续拉伸,使之产生塑性变形;(2)卸载后经室温时效一小时,继续拉伸,使之产生塑性变形;(3)卸载后经高于720℃退火1小时后继续拉伸,使之产生塑性变形;(4) 卸载后经880℃退火15分钟后继续拉伸,使之产生塑性变形。

2、设BCC 薄板加热到1000K ,板的一侧与CO/CO2混合气体接触使在表面碳的浓度保持0.2%(质量分数)。

另一侧与氧化气氛接触,使碳的浓度维持为0%。

计算每秒钟每平方厘米面积传输到后面表面的碳的原子数。

板厚为0.1cm ,BCCFe 的密度为7.9g/cm3,在1000K 时扩散系数为8.7×10-7cm2/s1、解:因为浓度梯度是常数,可以直接用菲克第一定律。

首先,计算以(碳原子/cm3)/cm 表达的浓度梯度。

在两侧表面的碳原子浓度计算如下:c BCCFe C ω⨯⎛⎫=⨯ ⎪⎝⎭密度阿佛加德罗常数碳的摩尔质量 ()()()32320310.0027.9/ 6.0210/7.9210/12.101/g cm C atom mol atom cm g mol ⎛⎫ ⎪=⨯⨯=⨯ ⎪⎝⎭浓度梯度是:203214217.9210atom/cm =7.9210/0.1cmC C dC atom cm dx -⨯=-=-⨯试样厚度 每秒透过每平方厘米传输的碳原子数,即扩散流量J :()()722148.710/7.9210/dC J D cm s atom cm dx -⎛⎫=-=-⨯-⨯ ⎪⎝⎭结果:1526.910/()J atom cm S =⨯⋅3、如图所示,在镍(Ni )和钽(Ta )中间插入一个0.05cm 厚的MgO 层作为扩散屏障以阻止Ni 和Ta 两种金属之间的相互作用。

在1400 ℃时,Ni 原子能穿过MgO 层扩散到Ta 中。

计算:①每秒钟通过MgO 层的Ni 原子数;②Ni 原子层减少一微米厚度所需的时间是多少?已知Ni 原子在MgO 中的扩散系数是9×10-12cm2/s ,且1400℃时Ni 原子的晶格常数为3.6×10-8cm 。

解:在Ni 和MgO 界面上Ni 的浓度为:32238MgO /Ni cm atoms 1057.8cm 106.3cell unit atoms Ni4⨯=⨯=-C 在Ta 和MgO 界面上Ni 的浓度应为0,所以浓度梯度为:cm cm atoms 1071.105.01057.8032422⋅⨯-=⨯-=∆∆x C Ni 通过MgO 的扩散通量为:)1071.1)(109(2412⨯-⨯=∆∆-=-x C D J scm atoms Ni 1054.1213⋅⨯= 因此,每秒钟透过界面的Ni 原子总数为:s /atoms Ni 1016.6221054.11313⨯=⨯⨯⨯在一秒钟之内,从Ni/MgO 界面扩散出去的Ni 原子的体积为:scm 1072.0cm /atoms Ni 1057.8s/atoms Ni 1016.63932213-=⨯⨯⨯ 则Ni 层每秒钟减少的厚度为: s /cm 108.1cm4s /cm 1072.010239--=⨯⨯ 由此可得,Ni 层减少一微米所需的时间为: h 154s 000556s/cm 108.1cm 10104=,=--⨯4、设一个厚为0.1cm 的Si 圆片,初始时每1千万个Si 原子中含有一个磷原子。

经过加工处理后,现在表面的每1千万个Si 原子中含有400个磷原子。

如图所示。

试计算该硅圆片的线浓度梯度和体积浓度梯度。

硅的点阵常数是5.4307Å。

解: 首先分别计算试样内部和表层的磷原子含量: %00001.0%10010117=⨯⨯=i C ; %004.0%1001014007=⨯⨯=s C 则浓度梯度为:cm x C /%0399.01.0%004.0%00001.0-=-=∆∆ 要计算体积浓度梯度,首先要求得硅的晶胞体积:32238106.1)104307.5(cm cm V cell --⨯=⨯= 由于硅晶体中,每个晶胞含有8个原子,则107个硅原子按菱方排列成的体积为:[]316227102106.1810cm V --⨯=⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡= 则此体积中的硅原子和磷原子浓度分别为151********⨯=⨯=-i C 个/cm 3; 1816102102400⨯=⨯=-s C 个/cm 3 体积浓度梯度为:cm cm 10995.11.01021053191815⋅⨯-=⨯-⨯=∆∆原子x C。

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